cuadernillo nivelacion qca 2010

Universidad Nacional del Sur

Cuadernillo de Nivelacin en Qumica

2010

Departamento de Qumica

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La qumica no se hace slo en los laboratorios, en realidad ocurre todos los das y tiene un gran impacto sobre la que uno usa y hace. Hacemos qumica cuando cocinamos, cuando agregamos cloro a la pileta de natacin o cuando se enciende el motor de un coche. Se produce una reaccin qumica cuando un clavo se oxida, cuando las plantas convierten el dixido de carbono y el agua en carbohidratos y energa para crecer o cuando una tableta anticida se disuelve en agua. Los procesos qumicos se producen todos los das en la naturaleza, en nuestro cuerpo, y tambin en los laboratorios qumicos, plantas de fabricacin de productos qumicos y en laboratorios farmacuticos. Por todo esto es muy importante el estudio de la qumica, es decir el estudio de la composicin, estructura, propiedades y reacciones de la materia, entendiendo a esta palabra como aquella que sirve para denominar a todas las sustancias que conforman el universo. Captulo I: La materia: Clasificacin. Propiedades. Estados de agregacin. La materia est en todas partes: el agua que pones en la cafetera, tu cepillo de dientes, el oxgeno que inhalas y el dixido de carbono que exhalas son formas de materia. La materia se distingue por ciertas propiedades como su aspecto, el punto de fusin y ebullicin, la densidad y otras. Adems tiene la forma fsica de slido, lquido o gas, siendo el ejemplo ms comn el agua, un compuesto que existe en los tres estados: el cubo de hielo, el agua que sale de la canilla y cuando se evapora forma un gas. Clasificacin de la materia Materia es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa un espacio. Como hay varios tipos, la materia se clasifica segn la clase de componentes que contiene. Una sustancia pura tiene una composicin definida, mientras que una mezcla est formada por dos o ms sustancias en cantidades variables. 1. Sustancias puras

Una sustancia pura es un tipo de materia de composicin definida. Hay dos tipos: elementos y compuestos. Los elementos son el tipo ms simple porque estn formados slo por un tipo de sustancia (cobre, hierro). Los compuestos son una combinacin de dos o ms elementos unidos en una determinada proporcin: todas las muestras de agua (H2O) estn formadas por la misma proporcin de hidrgeno y oxgeno, pero en el perxido de hidrgeno (H2O2), estn combinados en proporciones diferentes. Tanto el H2O como el H2O2 son distintos compuestos formados por los mismos elementos en diferentes proporciones. Los compuestos se descomponen mediante procesos qumicos en sustancias ms simples como los elementos, pero no se pueden descomponer mediante procesos fsicos. Los elementos no se descomponen ni por procesos fsicos ni por procesos qumicos.

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2. Mezclas En una mezcla dos o ms sustancias se combinan fsicamente pero no qumicamente. El aire que respiramos es una mezcla, principalmente de gases oxgeno y nitrgeno. El acero es una mezcla de hierro, nquel, carbono y cromo. Una solucin como el t o el caf tambin es una mezcla. Tipos de mezclas Las mezclas se clasifican en: Homogneas: la composicin de la mezcla es uniforme a lo largo de la muestra: aire, agua de mar, bronce Heterogneas: sus componentes no tienen una composicin uniforme a lo largo de la muestra: una muestra de petrleo y agua, pues el petrleo flota sobre el agua, las burbujas en una bebida.

Propiedades de la materia y estados de agregacin Una forma de describir la materia es observar sus propiedades. Hay dos tipos de propiedades: las fsicas y las qumicas.

1. Propiedades Fsicas

Son aquellas propiedades que se observan o miden sin afectar la identidad de una sustancia, por ejemplo color, olor, punto de fusin, punto de ebullicin, estado a 25 C, apariencia, conduccin de la electricidad, conduccin del calor. Estas propiedades estn relacionadas con el estado de la materia: slido, lquido y gaseoso. Cada estado tiene un conjunto de propiedades fsicas. Un

Tipos de materia

Sustancias puras Un tipo de sustancia Composicin fija

Mezclas Dos o ms tipos de sustancias. Composicin variable

Elementos No se separar en sustancias ms simples Cobre Aluminio

Compuestos Se separan en sustancias ms simples Sal (NaCl) Agua (H2O)

Homogneas Composicin uniforme Agua salada Latn

Heterogneas Composicin no uniforme Agua y arena

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slido tiene una forma y volumen definido: un libro, una pelota. Un lquido tiene un volumen definido pero no una forma definida, por ejemplo el agua toma la forma del recipiente que lo contiene. Un gas no tiene ni forma ni volumen; cuando se infla un neumtico con aire, que es un gas, llena toda la forma y el volumen del mismo El agua es una sustancia que se encuentra comnmente en tres estados. Cuando la materia experimenta un cambio fsico, su estado cambiar, pero su identidad o composicin permanecen iguales. La forma slida del agua, como la nieve o el hielo, tiene una apariencia distinta a la de su forma lquida o gaseosa, pero en las tres formas es agua.

Algunos cambios fsicos del agua

Agua slida (hielo) Agua lquida Vapor de agua

Ejemplos de cambios fsicos

Tipo de cambio fsico Ejemplo

Cambio de estado Agua en ebullicin

Cambio de apariencia Disolucin de azcar en agua

Cambio de forma Estirar el cobre en un delgado alambre

Cambio de tamao Moler pimienta en partculas ms pequeas

2. Propiedades qumicas

Las propiedades qumicas son aquellas que describen la habilidad de una sustancia para cambiarla en una nueva. Durante un cambio qumico la sustancia original se convierte en una o ms sustancias nuevas con diferentes propiedades qumicas y fsicas.

ebullicin

condensacin congelacin

fusin

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Ejemplos de cambios qumicos

Tipo de cambio qumico Cambios en propiedades qumicas

Caramelizar azcar A altas temperaturas el azcar blanco cambia a una sustancia suave de color caramelo.

Formacin de xido El hierro que es gris y brillante, se combina con el oxgeno para formar xido anaranjado-rojizo.

Quemar madera Un trozo de pino se quema con una llama que produce calor, cenizas, dixido de carbono y vapor de agua.

Preguntas y problemas 1) Cmo clasificaras a cada uno de los siguientes materiales? Marca con una X segn corresponda: MATERIAL

Sustancia pura Compuesto Elemento

Mezcla homognea

Mezcla heterognea

Agua destilada Acero Oxgeno Aspirina Esmog Hierro Bebida burbujeante

2) Da tres ejemplos de mezclas con que tienes contacto en tu vida, y explica por qu consideras que son mezclas. 3) Para cada uno de los siguientes procesos, indica si corresponden a cambios fsicos o qumicos:

- obtencin de limaduras de hierro a partir de un lingote de este metal - la leche se pone agria si se deja en una habitacin caliente - el nitrgeno se congela a -210 C - el hidrgeno reacciona fcilmente con oxgeno para generar agua

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4) Teniendo en cuenta el ciclo del carbono, indica: a) Dnde encontramos cambios fsicos?, b) Dnde cambios qumicos?, c) Dnde cambios fsicos y qumicos?

5) Clasifica a cada uno de los siguientes procesos como cambios fsicos o qumicos:

a) Corrosin de hierro metlico; b) Fusin del hielo; c) Pulverizacin de una aspirina; d) Digestin de una golosina; e) Explosin de nitroglicerina

6) Indica si las siguientes afirmaciones son Verdaderas o Falsas y justifica:

a) Los lquidos conservan un volumen definido pero son capaces de fluir; b) El arroz con leche es una mezcla homognea; c) La fotosntesis es un proceso fsico.

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Captulo II: Medidas y magnitudes. Sistema Internacional de Medida. Notacin cientfica. En ciencias usamos las medidas para comprender el mundo que nos rodea. Los cientficos miden las cantidades de los materiales que conforman todo en nuestro universo. Al aprender acerca de la medicin se desarrollan habilidades para resolver problemas y trabajar con nmeros en qumica. Los profesionales tienen que tomar decisiones a partir de datos. Esto implica realizar mediciones precisas de longitud, volumen, masa, temperatura y tiempo. Un valor de medicin se compone de tres partes:

La cantidad numrica La unidad El nombre de la sustancia

Ejemplo: 125 mg de vitamina C

Cantidad numrica

Unidades mtricas y Sistema Internacional (SI) El sistema mtrico es usado por cientficos y profesionales en todo el mundo. En 1960, los cientficos adoptaron una modificacin del sistema mtrico llamada Sistema Internacional de Unidades (SI) para uniformar las unidades en todo el mundo. Este sistema se basa en el sistema decimal.

Unidades de medicin

Medicin Sistema Internacional

Sistema mtrico

Longitud Metro (m) Metro (m)

Volumen Metro cbico (m3) Litro (L)

Masa Kilogramo (kg) Gramo (g)

Temperatura Kelvin (K) Grados

centgrados o Celsius (C)

Tiempo Segundo (s) Segundo (s)

Para expresar cantidades mayores o menores que las unidades bsicas se utilizan prefijos. Por ejemplo: mili significa 1/1000 0,001 veces la unidad bsica. En la tabla siguiente se muestran los prefijos de uso ms comn y sus equivalentes.

Unidad Nombre de la sustancia

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Prefijo Smbolo Equivalente

decimal Equivalente exponencial

Mega M 1.000.000 106 Kilo k 1.000 103

Hecta h 100 102 Deca da 10 10 Deci d 0,1 10-1 Centi c 0,01 10-2

Mili m 0,001 10-3 Micro m 0,000001 10-6

Masa y peso Todos los cuerpos estn constituidos por materia, pero, cmo saber si un cuerpo tiene ms materia que otro? es decir, cmo medir la cantidad de materia que hay en un cuerpo? A la cantidad de materia se la define como masa de un cuerpo. El peso de un cuerpo, por otro lado, es la fuerza con que la Tierra lo atrae y esta fuerza depende de la masa del cuerpo. En un ropero de madera hay ms materia que en una regla del mismo material y el ropero pesa ms que la regla, es decir la Tierra lo atrae ms, pues tiene ms materia. La masa y el peso de los cuerpos son propiedades diferentes pero son dos magnitudes que estn relacionadas entre s; si se comparan las masas de dos cuerpos en el mismo lugar de la Tierra se observa que: - Si tiene las mismas masas, tienen el mismo peso - Y el que tiene mayor masa tiene mayor peso Podemos afirmar que la masa y el peso son dos magnitudes directamente proporcionales. Se utiliza la balanza como instrumento de medida para comparar masa o peso de dos cuerpos en un mismo lugar de la Tierra. La masa y la cantidad de materia se mantienen constantes en cualquier lugar de la Tierra, mientras que el peso difiere segn el lugar donde se encuentre el cuerpo. Resumiendo: la masa es la cantidad de materia que posee un cuerpo y el peso es el valor de dicha masa multiplicado por la aceleracin de la gravedad (P = m x g). El peso de un cuerpo es variable y la masa es siempre invariable. Volumen Esta es otra magnitud muy usada y es la cantidad de espacio que ocupa una sustancia. Ya dijimos que la unidad en el SI es el m3 y es el volumen de un cubo cuyos lados miden 1 m de largo. En los laboratorios qumicos se utiliza ms comnmente el litro (L) como unidad o el mililitro (mL) Densidad La densidad es una caracterstica importante de la materia. Vemos que el corcho flota porque es menos denso que el agua. La densidad es la relacin entre la masa de la sustancia y su volumen; densidad =d= masa/volumen =

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m/V y sus unidades son: g/cm3 para los slidos, g/cm3 o g/mL para los lquidos y g/L para los gases. El mol El mol es otra unidad bsica del SI que se incorpor posteriormente y que usan fundamentalmente los qumicos. El mol se define como la cantidad de sustancia que contiene tantas partculas como tomos hay en 0,012 kg de C 12. Estas partculas pueden ser tomos, iones, o molculas. As un mol contiene 6,022 x 10 23 partculas. Este nmero tan grande se llama nmero de Avogadro en honor a un fsico italiano. Notacin cientfica En qumica y en ciencias en general, las mediciones implican nmeros que pueden ser muy pequeos o extremadamente grandes. Por ejemplo, el ancho de un cabello humano es de aproximadamente 0,000008 m, la luz viaja a 30.000.000.000 cm/s. Para estas cantidades es conveniente utilizar la notacin cientfica, expresando los nmeros como potencias de 10. Un nmero escrito en notacin cientfica consta de dos partes: un coeficiente, que vara entre 1 y 10, y una potencia en base 10. Por ejemplo el nmero 2400, en notacin cientfica se escribe 2,4 X 103, donde 2,4 es el coeficiente y 103 muestra la potencia. El coeficiente se determina moviendo el punto decimal tres lugares a la izquierda para dar un nmero entre 1 y 10 y puesto que movimos el punto decimal tres lugares a la izquierda la potencia de base 10 es un 3 positivo. Cuando un nmero menor que 1 se escribe en notacin cientfica, el exponente de la potencia de base 10 es negativo. Por ejemplo, para escribir el nmero 0,00086 en notacin cientfica, movemos el punto decimal cuatro lugares para dar un coeficiente 8,6, que est entre 1 y 10 y la potencia ser 4 negativo, es decir 8,6 x 10-4. Factores de conversin Muchos problemas en qumica requieren un cambio de unidades. Para realizar esto debemos escribir la equivalencia en forma de una fraccin llamada factor de conversin. Una de las cantidades es el numerador y la otra es el denominador y hay que asegurarse de incluir las unidades cuando se escriban los factores de conversin. Ejemplos: 1h = 60 min, existen dos factores de conversin: 1 h/60 min; 60 min/1h

1m = 100 cm; factores de conversin: 1 m /100 cm; 100 cm/1 m. El factor de conversin es la relacin entre la nueva unidad y la unidad original. Para convertir unidades se debe multiplicar la cantidad conocida y sus unidades por uno o ms factores de conversin. Ejemplos: Empleas dos horas en realizar tu tarea, cuntos minutos es eso?

min1201min602 =h

xh

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Recomendaciones para la resolucin de problemas con factores de conversin: 1) Buscar la unidad dada y la unidad deseada 2) Decidir el plan de unidades y plantear el factor de conversin 3) Plantear el problema y resolverlo Ejemplo: La cantidad recomendada de sodio en la dieta es de 2400 mg. A cuntos gramos de sodio equivale esta cantidad? 1) Unidad dada: mg; Unidad deseada: g 2) Ambas son unidades del sistema mtrico/SI y los factores de conversin son:

1g/1000mg y 1000mg/1g.

3) mg2400 x mg

g1000

1 = g4,2

Preguntas y problemas 1) Indica el nombre de la unidad e identifica la misma como una unidad del SI, una unidad del sistema mtrico, ambas o ninguna.

a) 245 K; b) 45,8 kg; c) 0,48 L; d) 28,6 m; e) 4,2 m 3

2) Expresa en notacin cientfica las siguientes medidas: a) 55.000 m; b) 480 g; c) 0,000005 cm; d) 0,00785 L; e) 670.000 kg. 3) Escribe los factores de conversin para la relacin entre los siguientes pares de unidades: a) miligramos y gramos b) mL y L c) m3 y dm3 4) Escribe posibles factores de conversin para cada uno de los siguientes enunciados: a) hay 325 mg de aspirina en 1 tableta b) el nivel permitido de arsnico en agua es 10 ppb, sabiendo que ppb es igual a 1 microgramo por 1 litro de agua. 5) Una tableta de aspirina contiene 0,33 g de aspirina. Un paciente artrtico de 70,2 kg de peso toma dos tabletas de aspirinas diarias.

a) Qu cantidad de aspirina, expresada en miligramos, hay en las dos tabletas? b) Cul es la dosis de aspirina expresada en miligramos por kilo de peso? c) Con esta dosis diaria de tabletas de aspirina, cuntos das tardara en consumir 45,36 g de aspirina?

6) Una muestra de 44,65 g de cobre tiene un volumen de 5 cm3 Cul es la densidad del cobre? 7) Si la densidad de la leche es 1,04 g/mL Cuntos gramos de leche hay en una taza de leche (250 mL)?

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8) Sabiendo que las 2/3 partes de la superficie del planeta Tierra estn cubiertas de agua y la profundidad media de los ocanos es 2,7 km:

a. Calcula el volumen del agua de los ocanos expresado en m3. b. Conociendo que el volumen de agua de una gota de agua es la

vigsima parte de 1 mL, calcula cuntos moles de gotas de agua existen en los ocanos terrestres.

c. Calcula la masa de agua contenida en los ocanos. Datos: Dimetro de la tierra: 12756 km, Densidad del agua de mar: 1,03 g/cm3.

9) Seala cul de las dos cantidades es mayor: a) 1,3x10-2moles de tomos 0,013 moles de tomos

b) 4500 m 2 km c) 10 g 3500 mg d) 190 cm3 1,9x102 cm3 e) 9 nm 3x10-9 cm

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Captulo III: Elementos y smbolos qumicos. Tabla peridica. tomos y molculas. Anteriormente aprendimos que los elementos son las sustancias de las que est hecha la materia. Muchos de los elementos tomaron nombres de planetas, lugares geogrficos, figuras mitolgicas, etc. y existen smbolos qumicos que identifican a los elementos y que son abreviaturas que constan de uno o dos letras. Slo la primera letra del smbolo de un elemento es mayscula; la segunda, si la hay, es minscula. Ejemplos: C: carbono Cu: cobre N: nitrgeno Ni: nquel A medida que se fueron descubriendo ms y ms elementos qumicos, fue necesario organizarlos con algn tipo de sistema de clasificacin. A finales del siglo XIX, los cientficos reconocieron que ciertos elementos se parecan y comportaban en forma muy similar. En 1872, un qumico ruso, D. Mendeleiev, orden 60 elementos conocidos en la poca, en grupos con propiedades similares y los coloc en orden de masa atmica creciente. Actualmente, este ordenamiento de ms de 110 elementos basado en el nmero atmico creciente se conoce como tabla peridica. La tabla peridica ofrece una gran cantidad de informacin acerca de los elementos. Perodos y Grupos Cada hilera horizontal en la tabla se llama perodo y se numera de manera creciente de arriba hacia abajo, desde 1 hasta 7. Cada columna en la tabla peridica se denomina grupo y contiene una familia de elementos que tienen propiedades similares. Se numeran de manera creciente de izquierda a derecha. Los elementos de las dos primeras columnas de la izquierda y las ltimas seis a la derecha constituyen los elementos representativos o elementos de los grupos principales. Durante muchos aos se les han dado los nmeros 1A-8A. En el centro de la tabla peridica hay un bloque de elementos conocidos como elementos de transicin que se los designa con la letra B. Un sistema de numeracin ms moderna asigna los nmeros de 1 a 18 que van a travs de toda la tabla. Muchos grupos de la tabla peridica reciben nombres especiales: el grupo 1 1A, metales alcalinos (Li Na, K, etc.); los de grupo 17 7A son los halgenos (F, Cl, Br, I, At) y los de grupo 18 18A gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Zn, Rn). Metales, no metales, metaloides La tabla peridica posee una lnea gruesa en zig-zag que separa los elementos en metales y no metales. Los de la izquierda de la lnea son los metales, a excepcin del hidrgeno, y los no metales son los de la derecha. En general la mayora de los metales son slidos brillantes, dctiles, buenos conductores del calor y la electricidad. El carcter metlico de los elementos aumenta hacia la izquierda y hacia abajo en la tabla peridica.

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Los no metales no son brillantes ni maleables ni dctiles y no conducen ni el calor ni la electricidad. Por lo general tienen puntos de fusin bajos y muchos son gaseosos a temperatura ambiente. Los metaloides son elementos que muestran propiedades tpicas tanto de los metales como de los no metales. Son mejores conductores del calor y la electricidad que los no metales pero no tanto como los metales. En la tabla peridica, los metaloides (B, Si, Ge, As, Sb, Te; Po y At) se ubican en la lnea gruesa que separa los metales de los no metales. En la siguiente tabla se pueden observar, a modo de ejemplo, las propiedades de un metal, un no metal y un metaloide.

Plata (Ag) Antimonio (Sb) Azufre (S)

Metal Metaloide No metal

Brillante Azul-grisceo, brillante Opaco, amarillo

Extremadamente dctil

Quebradizo Quebradizo

Buen conductor del calor y la electricidad

Pobre conductor del calor y la electricidad

Pobre conductor del calor y la electricidad

Punto de fusin 962C Punto de fusin 630C Punto de fusin 113C

El tomo Todos los elementos de la tabla peridica estn hechos de pequeas partculas llamadas tomos. Un tomo es la partcula ms pequea de un elemento que tiene las caractersticas de ste. El concepto de tomo es relativamente reciente. Aunque los filsofos griegos en el ao 500 AC razonaron que todo deba contener partculas minsculas, que tambin llamaron tomos, esta idea se convirti en teora cientfica en 1808 cuando John Dalton desarroll la teora atmica, que propona que todo elemento est conformado por pequeas partculas llamadas tomos y que estos se combinan para formar compuestos. La teora atmica de Dalton constituy la base de la actual teora atmica. Ahora sabemos que los tomos no son partculas indestructibles como propuso Dalton, sino que estn constituidas por partculas ms pequeas (subatmicas). Sin embargo, un tomo sigue siendo la partcula ms pequea que conserva las propiedades de un elemento. El tamao del tomo est determinado por el radio atmico que es la mitad de la distancia entre los ncleos de dos tomos idnticos adyacentes y la unidad es el Angstrom, , que equivale a la diezmilmillonsima parte del metro (10-10 m). El radio atmico es una propiedad peridica. En un perodo aumenta de derecha a izquierda y en un grupo aumenta de arriba hacia abajo.

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Molculas Cada molcula es un conjunto de tomos y para poder describirlas se emplea lo que se denomina frmula qumica. En cada frmula qumica, mediante subndice, se indica la cantidad de tomos que componen la molcula. Ejemplos: O2, que representa la molcula de oxgeno, est formada por dos tomos de oxgeno.

H2O, que es la molcula de agua, contiene dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno. Cuando las molculas contienen un mismo tipo de tomo, el mismo elemento, se denominan sustancias simples y cuando contienen tomos distintos se llaman sustancias compuestas. Atomicidad Es el nmero de tomos que componen una sustancia simple: Molculas diatmicas: F2; Br2 Molculas triatmicas: O3 (ozono) Molculas tetratmicas: P4 Partes del tomo y su estructura Los tomos contienen partculas ms pequeas denominadas partculas subatmicas. Estas partculas son los protones, los neutrones y los electrones. Los protones poseen carga positiva (+), los electrones carga negativa (-) y los neutrones no tienen carga.

Partcula Smbolo Carga Masa en gramos

electrn e -1 9,110 x 10-28

Protn p +1 1,673 x 10-24

neutrn n 0 1,675 10-24

El tomo posee un ncleo, donde se localizan protones y neutrones, las partculas subatmicas de mayor masa. El ncleo de un tomo tiene un dimetro de aproximadamente 1 x 10-15 m, esto es, un tamao aproximadamente 10.000 veces menor que el tamao atmico. Los electrones de un tomo se mueven en torno al ncleo. Todos los tomos del mismo elemento tienen el mismo nmero de protones. El nmero de protones que posee un tomo se denomina nmero atmico (Z) y se usa para identificar a cada elemento. Dado que los tomos son elctricamente neutros, el nmero de protones es igual al nmero de electrones Por otro lado, el nmero de protones y el nmero de neutrones determinan la masa del ncleo, por lo tanto para cualquier tomo el nmero de masa o nmero msico (A) es la suma del nmero de protones y el nmero de neutrones. A modo de ejemplo, en la tabla siguiente se esquematizan los conceptos vistos. Se aconseja analizarla con la tabla peridica en la mano.

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Elemento Smbolo Nmero

Atmico Nmero Msico

N de protones

N de neutrones

N de electrones

Hidrgeno H 1 1 1 0 1

Nitrgeno N 7 14 7 7 7

Cloro Cl 17 37 17 20 17

Hierro Fe 26 56 26 30 26

Oro Au 79 197 79 118 79

Niveles energticos del electrn La mayor parte del tomo es espacio vaco en donde los electrones se mueven libremente, lo que significa que poseen energa. Pero no todos tienen la misma energa, sino que se van agrupando en diferentes niveles energticos. Los niveles de energa de un tomo se pueden pensar como los distintos escalones de una escalera. A medida que subes o bajas la escalera, debes pasar de un escaln a otro, y no puedes detenerte en un nivel entre los mismos. En los tomos slo hay electrones en los niveles energticos disponibles y la energa total (tanto cintica como potencial) de un electrn cambia conforme se mueve de un nivel a otro dentro del tomo. El nmero mximo de electrones permitidos en cada nivel energtico est dado por 2n2, donde n representa al nmero cuntico principal que indica el nivel de energa. El nmero cuntico n toma valores enteros positivos comenzando desde n = 1. En la siguiente tabla se puede visualizar el nmero mximo de electrones en cada nivel energtico:

Nivel principal de

energa

N mximo total de electrones

(2n2)

1 2

2 8

3 18

4 32

Electrones de valencia: las propiedades qumicas de los elementos representativos se deben, principalmente a los electrones de valencia, que son

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los electrones que se encuentran en los niveles energticos externos. Estos son los electrones que intervienen en los enlaces qumicos. Los elementos representativos de un mismo grupo de la tabla peridica tienen igual nmero de electrones de valencia. Energa de ionizacin. Iones y compuestos inicos Los electrones se mantienen en los tomos mediante su atraccin al ncleo. Por lo tanto se requiere energa para remover un electrn de un tomo. La energa necesaria para remover el electrn ms dbilmente unido a un tomo en el estado gaseoso se denomina energa de ionizacin y al proceso se lo denomina ionizacin. Cuando un tomo de un elemento en el estado gaseoso pierde un electrn se forma una partcula llamada in que posee un carga positiva (+). -+ ++ egNaenergagNa )()( Un in con carga positiva se denomina catin y se forma cuando el tomo pierde un electrn (Na+). Un in con carga negativa se denomina anin y se forma cuando el tomo gana un electrn (Cl-) La energa de ionizacin, por lo general, disminuye al bajar por un grupo de la tabla peridica. Al avanzar a travs de un perodo de izquierda a derecha la energa de ionizacin aumenta. En general la energa de ionizacin es baja para los metales y alta para los no metales. En el perodo 1, los electrones de valencia estn cerca del ncleo y fuertemente unidos, por lo tanto H y He tienen energas de ionizacin altas porque se requiere una gran cantidad de energa para remover un electrn. Las altas energas de ionizacin de los gases nobles indican que sus configuraciones electrnicas son especialmente estables. Los iones tienen un determinado radio inico. El radio inico de un catin es menor que el radio del tomo neutro del que proviene y el de un anin es mayor. En la figura se pueden observar estas afirmaciones. Adems, el radio inico sigue la misma tendencia que el radio atmico en la tabla peridica.

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Adems de los iones sencillos como Li+ o el F-, existen iones poliatmicos como NO3- (ion nitrato) y SO42- (ion sulfato). Estos iones consisten en tomos unidos igual que en una molcula, pero tienen una carga neta positiva o negativa. Istopos y Masa atmica Hemos vistos que los tomos del mismo elemento tiene el mismo nmero de protones y electrones. Sin embargo, los tomos de algn elemento no son completamente idnticos porque pueden tener distinto nmero de neutrones. As surgen los istopos, que son tomos del mismo elemento que poseen distinto nmero de neutrones. Para diferencias a los diferentes istopos se coloca el nmero msico A como superndice a la izquierda del smbolo qumico. Por ejemplo, todos los tomos del elemento magnesio (Mg) tienen 12 protones, pero algunos de estos tomos tienen 12 neutrones y otros 13 e incluso 14 neutrones. Estas diferencias hacen que sus masas sean diferentes, pero no su comportamiento qumico. Los tres istopos del Mg tienen igual nmero atmico pero distinto nmero msico. Se los representa como: 24Mg, 25Mg, 26Mg. Ahora podemos definir lo se conoce como masa atmica de un elemento, que es la masa promedio de todos los istopos de dicho elemento que ocurren en la naturaleza, con base en la abundancia y la masa de cada istopo. Este nmero es el que aparece debajo del smbolo en la tabla peridica. Se define la uma (unidad de masa atmica) como un doceavo de la masa de un tomo de carbono 12 (12C), por lo que el tomo de C tiene una masa de exactamente 12 uma. La masa atmica se usa para convertir una cantidad conocida de tomos a su masa en uma, o bien para saber el nmero de tomos en una masa especfica de un elemento. Por ejemplo: calcular la masa atmica de 10 tomos de azufre:

umaSdetomoumaxSdetomos 7,3201

07,3210 =

En la tabla se observan algunos ejemplos:

Elemento Istopo Masa atmica (uma)

Litio 6Li, 7Li 6,941

Carbono 12C, 13C, 14C 12,01

Azufre 32S, 33S, 34S, 36S 32,07

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El mol Cuando vas a comprar huevos, lo haces por docena y sabes que te darn doce. En una oficina el papel que se usa se compra por resmas y sabes que cada resma contiene 500 hojas. En qumica, las partculas como tomos, molculas e iones se cuentan por mol. El mol se define como la cantidad de sustancia que contiene 6,022 x 1023 partculas. Este nmero tan grande se llama nmero de Avogadro, en honor a un fsico italiano. Un mol de un elemento siempre tiene un nmero de Avogadro de tomos, un mol de un compuesto contiene un nmero de Avogadro de molculas o de unidades frmula. Por ejemplo: un mol de CO2 contiene:

- 6,022x1023 molculas de CO2 - 6,022x1023 tomos de C - 2 x 6,022x1023 tomos de O

Otro ejemplo: un mol de NaCl contiene:

- 6,022x1023 unidades frmula de NaCl (Na+, Cl-)

Los subndices en una frmula qumica son tiles cuando necesitamos determinar la cantidad de alguno de los elementos. Por ejemplo, en un mol de molculas de aspirina: C9H8O4, hay 9 moles de tomos de C, 8 moles de tomos de H y 4 moles de tomos de O. Ahora podemos calcular cuntos moles de tomos de carbono hay en 1,5 moles de aspirina.

CdetomodemolesaspirinademolCdetomosdemolesxaspirinademoles 5,131

95,1 =

Masa molar Para cualquier elemento, la masa molar es la cantidad en gramos igual a la masa atmica de dicho elemento. Por ejemplo, si necesitamos 1 mol de tomos de C, primero encontramos la masa atmica del C en la tabla peridica, que es 12,01, entonces para obtener 1 mol de tomos de C debemos pesar 12,01 g. Por lo expuesto vemos que la masa molar de un elemento es numricamente igual a la masa atmica pero expresada en gramos y la podemos obtener de la tabla peridica. Para determinar la masa molar de un compuesto, se multiplica la masa molar de cada elemento por su subndice en la frmula y se suman los resultados. Por ejemplo: la masa molar del SO3 se obtiene de sumar la masa molar de 1 mol de tomos de azufre y la masa molar de 3 moles de tomos de oxgeno. 1 mol de tomos de S = 32,07 g

O de g 48,00O de tomos de moles 3O de tomos de mol 1

O de g 16,00=

Masa molar del SO3 = 32,07 g S + 48,00 g O = 80,07 g Volumen y moles Cuando inflas un globo, su volumen aumenta porque agregas ms molculas de aire. Cuando una pelota de bsquet tiene un orificio y parte del aire se

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escapa, su volumen disminuye. En 1811, Avogadro estableci que el volumen de un gas se relaciona directamente con el nmero de moles de ese gas cuando no cambian ni la temperatura (T) ni la presin (P), es decir, a T y P constantes, si el nmero de moles aumenta, aumenta el volumen. Se determin que a 1 atm de presin y 273 K de temperatura (Condiciones Normales de Presin y Temperatura, CNTP), 1 mol de cualquier gas ocupa un volumen de 22,4 L. Este valor se conoce como volumen molar de un gas. Preguntas y problemas 1) Indica el perodo y grupo de cada uno de los siguientes elementos e identifcalos como representativo o de transicin: a) iodo b) manganeso c) bario d) oro 2) El estroncio es un elemento que da color rojo brillante a los fuegos artificiales. a) En qu grupo se encuentra? b) Cul es el nombre de esta familia qumica? c) Para el mismo grupo, qu elemento est en el perodo 3? d) Qu metal alcalino, halgeno y gas noble estn en el mismo perodo que el estroncio? 3) Indica si cada uno de los siguientes elementos es un metal, no metal o metaloide. a) Carbono b) Arsnico c) Aluminio d) Oxgeno c) Cloro 4) Basndote en las siguientes propiedades enunciadas, identifica para cada inciso si el elemento que posee esa propiedad es un metal o un no metal: a) buen conductor de electricidad b) Se presenta como gas a temperatura ambiente c) muy dctil y maleable d) alto punto de fusin e) mal conductor elctrico. 5) En cada tem, identifica la partcula subatmica que tenga la caracterstica mencionada: a) no tiene carga b) se ubica fuera del ncleo c) tiene una masa aproximadamente igual a la de un neutrn d) tiene la masa ms pequea 6) Calcula el nmero msico de un tomo usando la siguiente informacin: a) 5 protones y 6 neutrones

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b) nmero atmico 48 y 64 neutrones 7) Completa la siguiente tabla: Nombre

del elemento

Smbolo Numero atmico

Nmero msico

Nmero de

protones

Nmero de

neutrones

Nmero de

electrones N 15

Calcio 42 38 50 14 16

56 138 8) Para cada par de los siguientes elementos: Ar y K; Ni y Co; Te y I, indica cul presenta:

a) mayor masa b) menor nmero atmico. c) mayor nmero de electrones. d) menor radio atmico

9) De los elementos Mg, Ca, Br, Kr, cul:

a) es un gas noble b) es un no metal. c) se encuentra en el grupo 2, perodo 4.

d) tiene la mayor energa de ionizacin.

10) Ordene los siguientes iones segn el radio inico creciente:

a) F-, Cl- , Br- b) Na+, Mg2+, Al3+

11) Indica cul o cules de las siguientes afirmaciones son correctas y justifica: a) La mayor parte de los elementos est formada por una mezcla de istopos

que existen en la naturaleza en proporciones fijas y determinadas. b) Los istopos de un mismo elemento tienen idnticas propiedades

qumicas. c) Los istopos de un elemento tienen un nmero idntico de neutrones en su

ncleo. d) La masa y la carga positiva de un tomo se encuentran concentradas en

el ncleo. e) Todos los tomos de un elemento en su estado natural tienen que poseer

el mismo nmero de neutrones. 12) Analiza la veracidad de la siguiente afirmacin. Un mol de unidades frmula de cloruro de sodio contiene el nmero de Avogadro de tomos de cloro y el nmero de Avogadro de tomos de sodio. Justifica. 13) Cuntos moles de agua tiene el cuerpo humano, si su peso promedio es de 56 kg y las de su masa es agua? Cuntas molculas son?

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14) En condiciones n o r m a l e s de presin y temperatura (C N P T ) 80 g de flor ocupan el mismo volumen que 150 g de otro gas diatmico de la familia de los halgenos, de qu gas se trata? 15) Dnde hay ms tomos de hierro: en 6,7 g, en 0,11 moles o en 7,83x1022 tomos de hierro? 16) Marca con una X la opcin correcta y justifcala mediante clculos.

a) En 102,06 g de sulfato de calcio, CaSO4 y 105,23 g de carbonato de sodio, NaCO3, hay el mismo nmero de:

i) moles de molculas ii) molculas iii) tomos de oxgeno

17) Para un xido metlico de frmula M2O y masa molar 29,62 g/mol:

a) Calcula la masa atmica del metal y caracterzalo por el lugar que ocupa en la Tabla Peridica (grupo, perodo, etc.)

b) Cuntos tomos de M hay en medio mol de M2O? c) Cuntos tomos de O hay en1,464 moles de M2O?

18) Indica V/F y justifica:

a) El volumen molar de las sustancias gaseosas es constante. b) El volumen molar normal de un gas es 22,4 L. c) El volumen molar normal de un gas es independiente de su composicin

qumica. d) En una sustancia monoatmica el mol de molculas de esa sustancia

coincide con el mol de tomos. e) La masa de un mol de un gas se calcula multiplicando 22,4 L por la

densidad en CNPT. f) En 11,2 L de gas en CNPT hay 3x1023 molculas. g) El mol es un nmero.

19) La frmula qumica de la cafena es C8H10N4O2. Analiza la veracidad de las siguientes afirmaciones y justifica.

a) La masa molar de la cafena es de 170 g/mol. b) Una molcula de cafena posee 20 tomos totales.

c) 0,125 moles de cafena contienen 21,25 g de cafena. d) 50,0 g de cafena corresponden a 50 moles de cafena.

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Captulo IV: Enlace qumico La mayora de los elementos de la tabla peridica se combinan para formar compuestos. Los compuestos resultan de la formacin de enlaces qumicos entre dos o ms elementos y estos enlaces son las fuerzas que mantiene unidos a los tomos o iones para formar las molculas. Los tipos de enlaces presentes en una sustancia son responsables en gran medida de sus propiedades fsicas y qumicas. Hay distintos tipos de enlaces: inico, covalente y metlico. Para muchos compuestos tanto inicos como covalentes, aunque hay excepciones, los tomos tienden a completar su ltimo nivel con 8 electrones, adquiriendo la configuracin electrnica del gas noble ms cercano en la tabla peridica. Esto se conoce como regla del octeto de Lewis, porque los tomos forman compuestos al perder, ganar o compartir electrones para adquirir un octeto de 8 electrones de valencia. Smbolos punto electrn o smbolos de puntos de Lewis: Esta es una forma de representar los electrones de valencia. Gilbert Lewis es un qumico conocido por el uso que hizo de representaciones simblicas de los elementos, en donde se muestran los electrones externos como puntos. Los elementos de la tabla peridica que se pueden representar de esta forma son los elementos representativos.

Enlace inico En los enlaces inicos, los electrones de valencia de un metal se transfieren a un no metal. Veamos qu sucede cuando el sodio metlico reacciona con cloro, que es un no metal reactivo para formar cloruro de sodio. El tomo de sodio, al perder un electrn, queda con 10 electrones en lugar de 11 y como an hay 11 protones en su ncleo, el tomo ya no es neutro, se

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convirti en el in sodio (Na+). El tomo de sodio pierde su nico electrn de valencia, se observa entonces un octeto completo y as esta configuracin es semejante a la del gas noble nen. Los tomos de cloro, tienden a ganar un electrn para formar iones cloruros, de carga negativa (Cl-), completando su octeto y tomando una configuracin similar a la del gas argn.

Ahora podemos representar la transferencia de electrones entre el sodio y el cloro con smbolos de puntos de Lewis. La estructura de Lewis que corresponde a este compuesto inico es: Como todos los halgenos, el cloro se encuentra como molcula diatmica (Cl2); entonces, la ecuacin qumica que corresponde a la reaccin entre el sodio metlico y el cloro gaseoso es la siguiente:

)()(2)( 22 sgs NaClClNa + El cloruro de sodio es un compuesto inico, ya que est formado por el in sodio (Na+) y el in cloruro (Cl-), que tienen cargas opuestas, se atraen y esta fuerza de atraccin se denomina enlace inico. Generalizaciones: Los metales de los grupos 1, 2 y 3 ceden fcilmente sus electrones de

valencia y forman cationes. Los tomos de los no metales (15, 16 y 17) ganan electrones y se

convierten en iones con carga negativa o aniones. Cuando se produce la transferencia de electrones, los iones que se

forman son estables con el octeto completo. Propiedades de los compuestos inicos Las propiedades fsicas y qumicas de un compuesto inico son muy diferentes de las de los elementos que lo forman. Por ejemplo, el NaCl, que es la sal de mesa, una sustancia blanca cristalina mientras que el sodio es un metal suave, blando y brillante y el cloro es un gas venenoso amarillo-verdoso de olor irritante. En general los compuestos inicos son slidos cristalinos con una fuerte atraccin entre los iones que los forman. Por esta razn, estos compuestos tienen elevados puntos de fusin, con frecuencia superiores a 300 C. A temperatura ambiente todos son slidos.

Na Cl + Cl Na + + -

Na+

Cl [ ]-

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Muchos compuestos inicos son solubles en agua y cuando se disuelven se disocian, es decir se separan en sus iones individuales que se mantiene en solucin. Enlace covalente En los enlaces covalentes, que se producen entre no metales, los electrones de valencia no se transfieren de un tomo a otro, sino que se comparten para adquirir la configuracin electrnica del gas noble ms cercano. El ejemplo ms simple de enlace covalente es el del gas hidrgeno. Cuando dos tomos de hidrgeno estn separados, no se atraen mutuamente. A medida que los tomos se acercan, la carga positiva del ncleo atrae al electrn del otro tomo. Esta atraccin acerca a los tomos hasta que comparten un par de electrones de valencia y forman un enlace covalente. En este enlace covalente, los electrones compartidos confieren a cada tomo de la molcula de H2 la configuracin del gas noble helio (He), por lo tanto los tomos unidos en H2 son ms estables que dos tomos de H individuales.

Si se representa siguiendo el esquema de smbolos de puntos de Lewis, se tiene: HHHH :+ Tambin se puede representar reemplazando el par de electrones entre tomos por un guin HH : H H H2 De la misma forma, los tomos de cloro pueden compartir un par de electrones para formar una molcula diatmica que tiene un enlace covalente, en donde cada tomo de cloro adquiere la configuracin del gas argn.

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+ ::::: ClClClCl ::

- ClCl 2Cl

Estas molculas formadas por tomos iguales, tiene enlaces covalentes no polares, lo que implica que los pares de electrones se comparten en forma equitativa entre los dos tomos. Si consideramos el tomo de nitrgeno, que tiene cinco electrones de valencia, cuando se forma la molcula diatmica, cada tomo para completar su octeto y ser ms estable debe formar dos enlaces covalentes adicionales, siendo esta representacin la siguiente:

:: NN Cuando se comparten tres pares de electrones, como en este caso, se forma un triple enlace y de la misma manera cuando se comparten dos pares de electrones entre tomos, el enlace se denomina doble enlace. Un solo par de electrones compartidos forman un enlace simple. Reglas generales para la escritura de la estructura de Lewis 1) Escribir la estructura bsica del compuesto en tal forma que se muestre qu tomos estn unidos entre s. 2) Sumar el nmero de electrones de valencia de todos los tomos. En el caso de un anin, sumar un electrn por cada carga negativa. En el caso de un catin, restar un electrn por cada carga positiva. 3) Dibujar un enlace simple (guin que representa dos electrones) entre el tomo central y cada uno de los tomos que lo rodean. 4) Completar los octetos de los tomos unidos al tomo central (recordar que el H se completa con slo dos electrones). 5) Colocar en el tomo central los electrones que sobren. 6) Si despus de este paso no se cumple la regla del octeto para el tomo central, probar con enlaces dobles o triples entre el tomo central y uno o ms de los tomos que lo rodean. Electrones compartidos entre tomos de diferentes elementos En el perodo 2 de la tabla peridica el nmero de electrones que un tomo comparte y el nmero de enlaces covalentes que forma, por lo general es igual al nmero de electrones necesarios para adquirir la configuracin del gas noble. Por ejemplo, el carbono tiene 4 electrones de valencia y necesita adquirir 4 electrones ms para formar su octeto; por lo tanto forma 4 enlaces covalentes al compartir sus 4 electrones de valencia. El metano, que es un componente del gas natural, es un compuesto formado por carbono e hidrogeno. Para lograr su octeto, cada carbono comparte 4 electrones y cada hidrogeno comparte 1 electrn. As, en la molcula de metano, un tomo de carbono forma cuatro enlaces covalentes simples con 4 tomos de hidrgeno. En la siguiente tabla se observan varios ejemplos de representaciones de Lewis de molculas simples.

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Enlaces covalentes polares Ya vimos que en un enlace inico los electrones se transfieren de un tomo a otro. En un enlace covalente no polar, la distribucin electrnica est equilibrada entre los tomos que se unen, de manera tal que los electrones se comparten de forma equitativa. En cambio, en un enlace covalente polar, los electrones se comparten de forma desigual entre tomos de elementos distintos. Para poder interpretar de forma ms sencilla este tipo de uniones, debemos conocer lo que significa el trmino electronegatividad. La electronegatividad es la capacidad que tiene un tomo para atraer electrones hacia s en un enlace covalente. Los tomos de los elementos ms electronegativos presentan mayor atraccin por los electrones y estn agrupados en la esquina superior derecha de la tabla peridica. En general los no metales tienen altos valores de electronegatividad en comparacin con los metales, porque los no metales tienen mayor atraccin por los electrones. La tendencia general en la tabla peridica es que la electronegatividad aumenta al ir de izquierda a derecha a travs del perodo y de abajo hacia arriba en el grupo. Cuando el hidrgeno y el cloro reaccionan para formar cloruro de hidrgeno, a ambos tomos les falta un electrn para adquirir la configuracin del gas noble ms cercano. Esto se logra compartiendo un par de electrones en un enlace covalente. Esto se puede representar mediante los smbolos de punto-electrn de la siguiente manera:

:::

+ ClHClH

La reaccin de formacin del cloruro de hidrgeno a partir de hidrgeno y cloro se puede escribir como sigue (recuerda que el hidrgeno y el cloro se encuentran como molculas diatmicas): )()(2)(2 2 ggg HClClH +

El hidrgeno y el cloro comparten un par de electrones en la molcula de cloruro de hidrgeno, pero no lo hacen en forma equitativa porque el cloro

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ejerce mayor atraccin por los electrones que el hidrgeno, pues es ms electronegativo. El enlace entre estos dos tomos es covalente polar y a menudo se emplea la siguiente notacin para designarlo:

-

-+ dd

ClH La lnea entre los tomos es el enlace covalente, los smbolos + y - indican qu extremo es parcialmente positivo y cul parcialmente negativo O bien: H-Cl en donde la flecha tiene direccin hacia el tomo ms electronegativo indicando la polaridad del enlace. La polaridad influye sobre las propiedades de un compuestos, por ejemplo, el cloruro de hidrogeno es polar y se disuelve con facilidad en agua, que tambin es un compuesto polar, produciendo cido clorhdrico.

Las molculas con ms de dos tomos tambin pueden ser representadas utilizando los smbolos electrn-punto de Lewis; as, por ejemplo, para iones poliatmicos como el SO42- (sulfato), se debe representar la estructura de puntos de Lewis con un total de 32 electrones. En lo posible, se considera la estructura correcta cuando todos los tomos cumplen con el octeto electrnico. Electrones de valencia del S = 6 Electrones de valencia del O = 6 (x 4) Carga del anin = -2 (2 electrones) Total de electrones = 6 + 24 + 2 = 32

2-

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Enlaces metlicos Estos son los enlaces de los tomos en un cristal metlico slido. Este tipo de enlace es distinto a los inicos o covalentes. Un slido metlico se representa en forma tridimensional donde los iones metlicos positivos estn fijos en la red cristalina y los electrones de valencia estn dbilmente unidos y se mueven con libertad por todo el cristal. Por esta razn, los metales son buenos conductores del calor y la electricidad. Preguntas y problemas 1) a) Cmo explica la regla del octeto la formacin del in sodio? Y la del

in cloruro? b) Cuntos protones y electrones hay en los siguientes iones? i) O2-, ii)K+, iii)Br-

2) a) Qu elementos de la Tabla peridica pueden cumplir, al combinarse, la Regla del Octeto? b) Representa utilizando la notacin-punto de Lewis las sustancias simples correspondientes a los elementos Cl, O, N, H. Por qu dichas sustancias simples, en la naturaleza, son diatmicas? c) Para los elementos Na, C y S, representa los siguientes compuestos: NaO; CO2 y H2S. Qu tipo de enlace se establece en cada caso? 3) Dibuja la estructura de puntos de Lewis para:

a) NH4+ c) NO3- b) NH3 d) CH3-OH

4) Considera los siguientes elementos hipotticos:

a) A qu grupo de la tabla peridica pertenece cada uno? b) Muestra la estructura de Lewis del compuesto que forma cada uno con el hidrgeno. Indica en qu casos no se cumple con la regla del octeto.

5) Cul de las siguientes estructuras de Lewis representa ms correctamente al anin nitrito?

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6) Teniendo en cuenta las electronegatividades de los elementos explica por qu el cloro al reaccionar con el sodio forma un compuesto inico, mientras que si lo hace con el carbono forma un compuesto covalente.

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Captulo V: Formulas qumicas. Nomenclatura. Ya sabemos que los tomos, en los compuestos qumicos, pueden unirse por enlaces inicos o covalentes, por lo tanto se pueden formar compuestos moleculares o compuestos inicos. Los compuestos moleculares estn formados por molculas y una molcula est formada por un nmero determinado de tomos unidos por enlaces covalentes. Los compuestos inicos estn formados por cationes y aniones unidos por atraccin electrosttica (fuerzas de atraccin entre cargas elctricas de distinto signo) Ambos tipos de compuestos se representan mediante una frmula qumica que indica los elementos que lo componen y el nmero relativo de tomos de cada elemento. Por ejemplo: H2O, compuesto molecular, la frmula indica que la molcula de agua est formada por 2 tomos de hidrgeno y uno de oxgeno. Sabiendo que el NaCl es un compuesto inico, la frmula indica que este compuesto est formado por el catin sodio (Na+) y el anin cloruro (Cl-). Nmeros o estados de oxidacin El nmero o estado de oxidacin est relacionado con el nmero de electrones que un tomo pierde, gana o utiliza para unirse a otros en un enlace qumico. Es muy til para escribir formulas qumicas. Los nmeros de oxidacin poseen un valor y un signo, pero solamente en los compuestos inicos ese signo indica transferencia completa de electrones, en los compuestos moleculares slo indica los electrones que se comparten y el signo depende de la electronegatividad de los tomos en el enlace. Algunas reglas para asignar nmeros de oxidacin a. El nmero de oxidacin de un tomo en su forma elemental siempre es cero. Ejemplo: Cl2, N de oxidacin 0; Cu, N de oxidacin 0. b. El nmero de oxidacin de cualquier ion monoatmico es igual a su carga. Ejemplo: K+ tiene un nmero de oxidacin de +1, S2- tiene un estado de oxidacin de -2, etc. Los iones de metales del grupo 1 siempre tienen carga +1, por lo que siempre tienen un nmero de oxidacin de +1 en sus compuestos. De manera anloga, los metales del grupo 2 siempre son +2 en sus compuestos, y el aluminio (grupo 3) siempre es +3 en sus compuestos. c. El nmero de oxidacin del oxgeno normalmente es -2 en compuestos tanto inicos como moleculares. La principal excepcin son los compuestos llamados perxidos, que contienen el ion O22-, donde cada tomo de oxgeno tiene un nmero de oxidacin de -1.

d. El nmero de oxidacin del hidrgeno es +1 cuando se combina con no metales (hidruros no metlicos), y -1 cuando se combina con metales (hidruros metlicos). e. El nmero de oxidacin del flor es -1 en todos sus compuestos. Los dems halgenos tienen un nmero de oxidacin de -1 en la mayor parte de sus compuestos binarios, pero cuando se combinan con oxgeno tienen estados de oxidacin positivos.

32

f. La suma de los nmeros de oxidacin de todos los tomos de un compuesto neutro es cero. La suma de los nmeros de oxidacin en un ion poliatmico es igual a la carga del ion. Ejemplo: en el ion hidronio, H3O+, el nmero de oxidacin de cada hidrgeno es +1 y el del oxgeno es -2. La suma de los nmeros de oxidacin es 3x(+1) + (-2) = +1, que es igual a la carga neta del ion.

Nomenclatura y frmulas de los compuestos qumicos Los qumicos han utilizado para nombrar algunos compuestos nombres triviales (agua, amonaco), pero en realidad, si todos los compuestos tuvieran nombres triviales deberamos aprendernos millones de nombres. Se han establecido reglas para nombrar a los compuestos qumicos. Compuesto binarios: combinaciones de dos elementos

O = -2 N de

oxidacin Metales o no metales = el que corresponda por su configuracin electrnica

Para formular:

Para nombrar:

Nomenclatura tradicional:

Fe2O3

Elemento menos electronegativo

a la izquierda

Elemento ms electronegativo

a la derecha

Intercambiar N de oxidacin (sin signo) y simplificar los subndices siempre que sea

posible (el subndice 1 no se escribe). Comprobar que la suma de los estados de

oxidacin sea cero

OXIDOS = Elemento - Oxgeno

X n O m Metal + Oxgeno = xido

metlico o bsico

No metal + Oxgeno = xido no metlico o cido

xido frrico

el sufijo ico indica el mayor estado de oxidacin del elemento

Nombre del elemento

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Nomenclatura por numeral de Stock:

Nomenclatura por atomicidad:

O = -1 N de

oxidacin Metales o no metales = el que corresponda por su configuracin electrnica

xido de hierro (III)

Estado de oxidacin escrito en nmeros romanos y entre parntesis

Nombre del elemento

Trixido de dihierro

Prefijo numeral que indica el nmero de oxgenos

Nombre del elemento

Prefijo numeral que indica el nmero de tomos del elemento (si es distinto de uno)

PERXIDOS = Metal (generalmente alcalino o alcalino-trreo)o no metal - oxgeno

Grupo O2- 2 (grupo perxido)

X n O 2 BaO2 ; CaO2 ; Li 2O2 ;Ag2O2 ; Na2O2; Hg2O2; H2O2

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Para formular:

Se nombra anteponiendo el prefijo per- a la palabra xido, seguido del nombre del elemento que corresponda. Ejemplo: perxido de sodio.

H = -1 N de

oxidacin Metales = el que corresponda por su configuracin electrnica

Para formular:

Se nombra anteponiendo la palabra hidruro al nombre del metal. Ejemplo: hidruro de potasio.

Las combinaciones binarias del hidrgeno con los no metales de los grupos 14, 15, 16 y 17 forman los hidruros no metlicos. En los hidruros de los grupos 16 y 17 se invierte el orden entre el H y el elemento y se nombran de la siguiente forma:

HF Fluoruro de hidrgeno (Disuelto en agua: cido fluorhdrico) HCl Cloruro de hidrgeno (Disuelto en agua: cido clorhdrico)

Na2O2

Elemento a la izquierda

Grupo perxido O2-2 a la derecha

HIDRUROS = Metal - Hidrgeno

X H m

LiH; KH; CaH2

KH

Metal a la izquierda Hidrgeno a

la derecha

Intercambiar N de oxidacin (sin signo)

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HBr Bromuro de hidrgeno (Disuelto en agua: cido bromhdrico) HI Yoduro de hidrgeno (Disuelto en agua: cido yodhdrico) H2S Sulfuro de hidrgeno (Disuelto en agua: cido sulfhdrico)

Los cinco son gases y cuando se disuelven en agua se comportan como cidos (de ah el nombre: hidrcidos)

Los hidruros de los elementos de los grupos 14 y 15 no se nombran como tales. Todos ellos reciben nombres especiales, no sistemticos:

CH4 : Metano SiH4 : Silano NH3 : Amonaco PH3 : Fosfina

Aunque tcnicamente el H debera escribirse a la izquierda, por tradicin se acostumbra colocarlo a la derecha.

El ms electronegativo = n de oxidacin negativo (-) N de

oxidacin El menos electronegativo = n de oxidacin positivo (+)

Ejemplo: compuesto formado entre el fsforo y el cloro

H = + 1

N de oxidacin Halgenos, elementos de los grupos 15, 16 y 17 = negativo

Compuestos binarios entre dos no metales

No metal + No metal

YnX m SF6; PCl3; CCl4

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Para formular:

Para nombrar:

No metal = - N de oxidacin Metal = el que corresponda con signo +

Ejemplo: compuesto formado entre el Cl y el Fe

Para formular:

Nombre del elemento ms electronegativo (situado a la derecha) terminado en URO

Tricloruro de fsforo

Prefijo numeral que indica el nmero de tomos del elemento

Nombre del elemento menos electronegativo (situado a la izquierda)

PCl3

Elemento menos electronegativo a la izquierda

Elemento ms electronegativo a la derecha


Metal a la izquierda No metal a la derecha

FeCl3


Compuestos binarios entre metal y no metal Metal - No metal (grupos: 15, 16 o 17)

Sales

MnXm KBr; Fe2S3; CaI2

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Para nombrar:

Nomenclatura tradicional

Nomenclatura por numeral de Stock


Cloruro de hierro (III)

No metal terminado en URO

Nombre del metal

Estado de oxidacin escrito en nmeros romanos y entre parntesis

Tricloruro de hierro

Prefijo numeral que indica el nmero de tomos del no metal

No metal terminado en uro

Nombre del metal

Cloruro frrico

No metal terminado en URO

Nombre del metal

sufijo ico, que corresponde al mayor estado de oxidacin

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Compuesto ternarios: combinaciones de tres elementos

Anin (OH) = -1 N de oxidacin Metal = el que corresponda con signo +

Para formular:

Para nombrar:



Fe(OH)3

Metal a la izquierda Grupo (OH) a la derecha

N de oxidacin del metal

Hidrxido de hierro (III)

Palabra hidrxido

Nombre del metal

N de oxidacin del metal en nmeros romanos y entre parntesis

Hidrxido frrico

el sufijo ico indica el mayor estado de oxidacin del elemento

Nombre del elemento

Hidrxidos = Metal - (OH)

X(OH)m Ca(OH)2; NaOH ; Al(OH)3

39


O = -2

H = +1 N de

oxidacin

No metal = el que corresponda

Para formular:

Subndice del hidrgeno:

- Si el no metal acta con n de oxidacin impar = 1

- Si el no metal acta con n de oxidacin par = 2

Para determinar el subndice del oxgeno tener en cuenta que:

Subndice del H x (+1) + n de oxidacin del no metal + subndice del O x (-2) = 0

En este caso: 2 x (+1) + 6 + n x (-2) = 0 n = 4

Palabra hidrxido

Trihidrxido de hierro

Prefijo numeral que indica el nmero de grupos (OH)

Nombre del metal

OXOCIDOS = Hidrgeno - No metal - Oxgeno

HnXOm HNO3; H2SO4; HClO; HClO3

H2SO4

Hidrgeno a la izquierda No metal: elemento central

Oxgeno a la derecha

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Para nombrar:




O = -2

Metal = el que corresponda N de

oxidacin

No metal = el que corresponda

cido sulfrico

Palabra cido

Nombre del elemento central con la terminacin ico que indica su mayor

estado de oxidacin

OXOSALES = Metal - No metal - Oxgeno

MnXOm Ca(NO3 )2; Fe2(SO4 )3; KClO4

Las oxosales se puede considerar que derivan de los oxocidos al sustituir sus hidrgenos por metales

HNO3 KNO3

cido ntrico Nitrato de potasio

Sulfato (VI) de hidrgeno

Prefijo del no metal con la terminacin ato

N de oxidacin del no metal en nmeros romanos

Tetraoxosulfato de dihidrgeno

Prefijo que indica el nmero de oxgenos

Prefijo que indica el nmero de hidrgenos

Terminacin ato que acompaa al no metal, cualquiera sea su estado de

oxidacin

41

Para formular

1. Identifica el cido del cual proviene la sal procediendo de la siguiente manera: P En la nomenclatura tradicional, sustituye la terminacin del no metal

segn el siguiente cdigo: Sal cido Ato " ico ito " oso

P Escribe el cido correspondiente. 2. Qutale los hidrgenos al cido: lo que queda es un anin. Encirralo entre

parntesis. Su carga es negativa e igual al nmero de hidrgenos que has quitado al cido.

3. Escribe el metal a la izquierda y el anin a la derecha. Teniendo en cuenta el N de oxidacin del metal, escribe los subndices en el metal y el anin, de manera que se mantenga la electroneutralidad.

Ejemplo: formar sulfato de potasio

- Si es sulfato, deriva del cido sulfrico (H2SO4)

- Al quitar los hidrgenos, queda el anin sulfato: (SO4)2-

- Se agregan tantos tomos metlicos como sean necesarios para neutralizar la carga del anin.

En el caso del K (n de oxidacin +1) K2SO4

Para nombrar:


* Para el anin:

- si el cido termina en -ico, el anin toma la terminacin -ato

Ejemplo: sulfrico sulfato

- Si el cido termina en oso, el anin toma la terminacin ito

Ejemplo: sulfuroso sulfito

- Cuando hay ms de dos estados de oxidacin, como en el caso de los halgenos que actan formando oxoaniones con estados de oxidacin +1, +3, +5 y +7, se usan las siguientes terminaciones

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N de oxidacin Acido Sal Ejemplos

+1 Hipo oso Hipoito cido hipocloroso hipoclorito

+3 oso ito cido cloroso clorito

+5 ico ato cido clrico clorato

+7 Peroico Perato cido perclrico perclorato

* Para el catin:

- Si tiene un nico estado de oxidacin, se da el nombre del metal.

Ejemplos: sulfato de potasio (K2SO4), nitrato de sodio (NaNO3)

- Si tiene ms de un estado de oxidacin: Se mantiene la terminacin oso (para menor estado de oxidacin) e ico (para mayor estado de oxidacin)

Ejemplos: nitrito ferroso (Fe(NO2)2), nitrito frrico (Fe(NO2)3).


Se indica entre parntesis y en nmeros romanos el estado de oxidacin del no metal y del metal, si este ltimo tiene ms de un estado de oxidacin.

Ejemplos: FeSO4 Sulfato (VI) de hierro (II)


Siguiendo con el ejemplo anterior: tetraoxosulfato de hierro

Existen sales en donde los tomos de hidrgeno son parcialmente reemplazados por el metal, y se denominan hidrogenosales

Para nombrar: Igual que las oxosales, pero indicando el nmero de hidrgenos que quedan sin sustituir, anteponindolo al nombre del anin.

NaHCO3: Hidrgeno Carbonato de sodio.

KH2PO4: Dihidrgeno Fosfato de potasio.

Para formular: Proceder igual que en las oxosales, pero en vez de sustituir todos los hidrgenos dejar sin sustituir los que indique el nombre. Una vez obtenido el ion correspondiente, combinar con el metal:

Hidrgeno carbonato de sodio, tambin llamado bicarbonato de sodio H2CO3 " HCO3 - Na+(HCO3)- NaHCO3

Hidrgeno sulfato de calcio

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H2SO4 " HSO4- Ca+2(HSO4)- Ca(HSO4)2

Dihidrgeno fosfato de sodio H3PO4 " (H2PO4)- Na+(H2PO4)- NaH2PO4

Existen otras sales que no tienen oxgeno. stas provienen de los hidrcidos por sustitucin del hidrgeno por un metal:

cido Sal HCl " NaCl HBr " KBr H2S " Na2S

Estas sales son combinaciones binarias no metal metal y, por tanto, se nombran y formulan como stas:

NaCl : Cloruro de sodio KBr : Bromuro de potasio Na2S : Sulfuro de sodio

Preguntas y problemas 1) a) Explica las diferencias que hay entre:

i) NO2 y NO2- ii) HF y Hf iii) CO y Co

b) Cundo y por qu se usan parntesis al escribir frmulas qumicas? c) Indica cul de los siguientes compuestos es un:

i. cido. ii. Compuesto covalente binario no metlico. iii. Compuesto inico binario que contenga un elemento metlico. iv. xido. v. Hidrxido. vi. Hidrcido. vii. Hidruro.

a. HCl(g) b. HCl(ac) c. CaO(s) d. LiH(s)

e. H2CO3(ac) f. NaOH(ac) g. Ba(OH)2(s) h. N2O4(g)

2) Indica el nmero de oxidacin del cloro en los siguientes compuestos y nmbralos:

HClO(ac) HClO2(ac) HClO3(ac) HClO4(ac) 3) Clasifica los siguientes compuestos y nmbralos: a) F2 b) FeCl3 c) N2O d) CF4

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4) Escribe la frmula de: a) cloruro de plata b) xido de plomo (IV) c) nitruro de litio d) fosfato de bario

e) nitrato de hierro (III) 5) Escribe la frmula de los siguientes aniones: a) nitrato b) cloruro c) sulfato d) carbonato e) hidrgenocarbonato 6) Escribe la frmula de los siguientes compuestos:

a) xido de cobalto (III) b) xido plmbico c) xido cuproso d) dixido de azufre e) xido de arsnico (V) f) xido de nitrgeno (V) g) xido de zinc h) monxido de carbono i) xido peridico j) trixido de molibdeno

7) Completar el siguiente cuadro y nombrar los productos formados:

Aniones Cationes NO3- SO42- PO43- Cl- S2- OH-

K+ KNO3 Nitrato de

potasio

Mg2+

Fe3+

Pb4+

NH4+

Zn2+

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Captulo VI: Reacciones qumicas y Estequiometra Las reacciones qumicas ocurren en todos lados. El combustible en nuestros coches se quema con oxgeno para proporcionar energa que mueve al auto. Cuando cocinamos nuestros alimentos o aclaramos nuestro cabello tienen lugar reacciones qumicas. En las hojas de los rboles y las plantas, el dixido de carbono y el agua se convierten en carbohidratos. Algunas reacciones qumicas son simples mientras que otras son muy complejas. En toda reaccin qumica los tomos en las sustancias que reaccionan, que se llaman reactivos, se reordenan para generar nuevas sustancias denominadas productos. Los tomos en los reactivos y en los productos son los mismos, lo que significa que la materia se conserva y no se pierde durante un cambio qumico. Recordar que en un cambio fsico se altera la apariencia de la sustancia, pero no su composicin, por ejemplo cuando el agua lquida se convierte en gas o en un slido. En un cambio qumico las sustancias que reaccionan cambian a nuevas sustancias que tienen diferentes composiciones y diferentes propiedades, por ejemplo, cuando la plata (Ag), metal brillante, reacciona con el azufre (S) para convertirse en una sustancia opaca llamada sulfuro de plata (Ag2S). Las reacciones qumicas se representan mediante ecuaciones qumicas. La ecuacin qumica nos indica lo que sucede durante la reaccin y mediante smbolos quienes son los participantes de la misma. Ejemplo: Cuando quemamos carbn en un asador, el carbn se combina con el oxgeno para formar dixido de carbono. La siguiente ecuacin representa dicha reaccin:

)(2)(2)( ggs COOC + Cuando tiene lugar una reaccin qumica los enlaces entre tomos de los reactivos se rompen y se forman nuevos enlaces entre los tomos de los productos. Ya mencionamos que en cualquier reaccin qumica, en las nuevas sustancias debe haber el mismo nmero de tomos que las sustancias de partida, por lo tanto una reaccin se debe escribir a travs de una ecuacin qumica balanceada. Las letras minsculas entre parntesis indican el estado de agregacin de las sustancias, es decir, si se encuentran en estado gaseoso (g), lquido (l), slido (s) o disueltos en agua (ac). La reaccin del ejemplo se puede leer: 1 mol de tomos de carbono slido se combinan con 1 mol de oxgeno gaseoso para formar 1 mol de dixido de carbono gaseoso. Ejemplo: La ecuacin anterior est balanceada?

S, porque hay un tomo de carbono y dos tomos de oxgeno de cada lado de la ecuacin.

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Tipos de reacciones qumicas Reacciones de sntesis o de combinacin En estas reacciones dos o ms elementos o compuestos se unen para formar un producto, o lo que es lo mismo, para sintetizar una nueva sustancia. Ejemplos: - El azufre se combina con el oxgeno para dar dixido de azufre

)(2)(2)( ggs SOOS +

- El nitrgeno se combina con el hidrgeno para sintetizar amonaco

)(3)(2)(2 23 ggg NHHN +

- El xido de magnesio se combina con el dixido de carbono para dar carbonato de magnesio

)(3)(2)( sgs MgCOCOMgO +

Reacciones de descomposicin

En una reaccin de descomposicin, un nico reactivo se divide en dos o ms productos Ejemplo: cuando el xido de mercurio (II) se calienta, los productos son mercurio y oxgeno

)(2)()( 22 gls OHgHgO +

Reacciones de combustin En las reacciones de combustin se necesita oxgeno y con frecuencia la reaccin produce un xido, agua y calor. Quemar lea en un hogar o gasolina en el motor de un coche son ejemplos de este tipo de reacciones. Ejemplo: el gas metano reacciona con oxgeno para producir dixido de carbono y agua. El calor producido por esta reaccin cocina nuestros alimentos y calienta nuestras casas.

)(2)(2)(2)(4 22 lggg OHCOOCH ++

En las clulas del cuerpo tambin ocurren reacciones de combustin para metabolizar los alimentos, lo que proporciona energa para las actividades que realizamos. Nosotros incorporamos oxgeno del aire para quemar glucosa de nuestros alimentos y as nuestras clulas producen dixido de carbono, agua y energa.

)(2)(2)(2)(6126 666 lggac OHCOOOHC ++

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Reacciones de sustitucin En estas reacciones los elementos en los compuestos se sustituyen por otros elementos. Hay dos tipos: reacciones de sustitucin simple o nica en donde un elemento no combinado toma el lugar de un elemento en un compuesto. Un ejemplo de este tipo de reaccin ocurre cuando el hidrgeno de un cido se sustituye por un metal reactivo:

)(2)(2)()( 2 gacacs HZnClHClZn ++ Reacciones de sustitucin doble en las cuales los iones en los compuestos que reaccionan cambian de lugar. Ejemplos:

)()(4)(2)(42 2 acacacac NaClBaSOBaClSONa ++

)(2)()()( lacacac OHNaClHClNaOH ++

Esta ltima reaccin se denomina tambin reaccin de neutralizacin, pues un cido (que contiene H+) se neutraliza con una base o hidrxido (que contiene OH-) para producir la sal correspondiente y agua. Reacciones de oxido-reduccin (redox) En toda reaccin redox se transfieren electrones de una sustancia a otra. Si una sustancia pierde electrones, otra debe ganarlos. La oxidacin se define como la prdida de electrones y la reduccin es la ganancia de electrones. En una reaccin redox hay cambios en los estados de oxidacin de algunos elementos. Ejemplos: El hierro metlico se obtiene al reducir el xido de hierro(III) utilizando carbono

)(

0

)(2

4

)(

0

)(3

3

2 4332 sgss FeOCCOFe ++++

En esta reaccin el carbono pierde electrones y se oxida y el hierro los gana y se reduce. Vemos que el Fe tiene estado de oxidacin +3 en los reactivos y pasa a tener estado de oxidacin 0 en los productos, por haber ganado tres electrones, mientras que el C tiene estado de oxidacin 0 en los reactivos y pasa tener estado de oxidacin +4 en los productos por haberse oxidado al haber perdido electrones. Una reaccin qumica en particular puede corresponder a varios tipos de reacciones simultneamente, por ejemplo, la reaccin de combinacin del azufre (S) para dar SO2 es al mismo tiempo una reaccin redox. Estequiometra

La palabra estequiometra deriva del griego stoicheion, que significa elemento y metra, que significa medicin. La estequiometra es la relacin de las masas atmicas entre reactivos y productos y se basa en un principio

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fundamental, la ley de conservacin de la masa de Lavoisier: la masa total de todas las sustancias presentes despus de una reaccin qumica es la misma que la masa total antes de la reaccin. Esto es, el mismo nmero de tomos est presente antes y despus de la reaccin. Los cambios que ocurren durante cualquier reaccin simplemente reacomodan a los tomos.

Una vez que conocemos las frmulas qumicas de los reactivos y productos de una reaccin, podemos escribir la ecuacin qumica no balanceada. Luego balanceamos la ecuacin determinando los coeficientes estequiomtricos que producen nmeros iguales de cada tipo de tomo en cada miembro de la ecuacin (reactivos y productos). Para casi todas las aplicaciones, una ecuacin balanceada deber tener los coeficientes enteros ms bajos posibles.

Ejemplo: en el laboratorio se hace reaccionar 5 moles de Al con la cantidad necesaria de HCl para obtener AlCl3 y H2 gaseoso. Cuntos gramos de sal se forman? Planteamos la ecuacin qumica no balanceada:

Al (s) + HCl (ac) " AlCl3 (ac) + H2 (g) Determinamos los coeficientes estequiomtricos:

2 Al (s) + 6 HCl (ac) " 2 AlCl3 (ac) + 3 H2 (g)

En base a los moles de Al que reaccionan, podemos establecer la siguiente relacin:

33 AlCl de moles 5Al de moles 5

Al de moles 2AlCl de 2moles

=

Transformando los moles de sal formados en masa:

333

3 AlCl de g 667,5AlCl de moles 5AlCl de mol 1AlCl de g 133,5

=

Reactivo limitante La disponibilidad de reactivos en una reaccin qumica puede limitar la cantidad de producto que se obtiene. Cuando los reactivos no se encuentran en las proporciones estequiomtricas que indica la ecuacin qumica, el reactivo que est en defecto, que est en menor proporcin, se denomina reactivo limitante, porque ser el que limite la obtencin de los productos. El otro reactivo se llama reactivo en exceso. Ejemplo: en el laboratorio se combinan 3 moles de CO y 5 moles de H2 para obtener metanol (CH3OH). Cuntos moles de metanol se obtendrn, cul es el reactivo limitante y por qu?

)(3)(2)( 2 lgg OHCHHCO +

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Se observa en la ecuacin qumica que por mol de CO reaccionan 2 moles de H2 para formar 1 mol de metanol, es decir 1mol de CO = 1 mol de metanol y 2 moles de H2 = 1 mol de metanol Ahora debemos determinar los moles de metanol que produciramos con 3 moles de CO y con 5 moles de H2.

OHCHmolesCOdemolOHCHdemol

xCOdemoles3

3 311

3 =

OHCHmolesH2demolOHCHdemol

xHdemoles3

32

5,221

5 =

Hay moles de CO para producir 3 moles de metanol, y moles de H2 para producir solamente 2,5 moles de metanol. Entonces, todo el metanol que se puede producir, es la menor cantidad de las dos obtenidas, es decir 2,5 moles; por lo tanto el reactivo limitante es el H2, y quedar CO en exceso, o sea sin reaccionar. De la ecuacin podemos deducir que: Moles iniciales: 3 moles de CO, 5 moles de H2 y 0 moles de metanol. Moles consumidos/formados: 2,5 moles de CO, 5 moles de H2 y 2,5 moles de metanol. Moles sobrantes: 0,5 moles de CO, 0 moles de H2 y 2,5 moles de metanol. Por lo tanto el reactivo en exceso es el CO y el limitante es el H2 y los 2,5 moles de metanol es el producto posible de formar. De la misma manera se trabaja con masa de productos en gramos. Pureza Las materias primas (reactivos) con que se fabrican productos qumicos en escala industrial, as como los reactivos de laboratorio, nunca son 100% puros. Esta condicin debe tenerse en cuenta en el momento de los clculos estequiomtricos. Ejemplo: Cul es el peso mximo de NaCl que podra obtenerse de 10 g de NaOH si esta droga tiene una pureza del 90 %? La reaccin es:

NaOH + HCl " NaCl + H2O

De los 10 g de droga que disponemos, slo el 90% es NaOH, o sea, la cantidad de NaOH puro es:

= impuro NaOH de g 10impuro NaOH g 100

puro NaOH de g 90 9 g de NaOH puro

NaOH de g 9NaOH de g 40

NaCl de g 58,5 = 13,16 g de NaCl

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En cualquier proceso qumico, ya sea a escala industrial o de laboratorio, la cantidad de producto que se obtiene es siempre menor que la calculada tericamente (por la proporcin estequiomtrica) porque hay factores que afectan al proceso qumico, principalmente factores tcnicos, por ejemplo: el tiempo y la forma de calentamiento, la presin a la que se trabaja (para los gases), la eficiencia del catalizador empleado, la construccin del equipo utilizado, etc. Por lo tanto hay que definir lo que se conoce como rendimiento de una reaccin, que es el porcentaje real obtenido, en relacin con el valor terico calculado. El rendimiento de una reaccin qumica es muy importante en la industria, ya que determina la rentabilidad econmica del proceso. Un bajo rendimiento obliga a investigar y probar nuevas tcnicas y distintos procesos para mejorar la eficacia de la produccin.

Preguntas y problemas

1) Representa cada una de las siguientes afirmaciones mediante una ecuacin qumica balanceada:

a) El monxido de carbono reacciona con el oxgeno gaseoso para formar dixido de carbono gaseoso.

b) El dixido de carbono reacciona con agua para dar cido carbnico. c) El cido carbnico reacciona con el carbonato de calcio en disolucin

acuosa y forma hidrgeno carbonato de calcio. d) El carbonato de calcio slido se obtiene cuando reaccionan, en

disolucin acuosa, hidrgeno carbonato de calcio e hidrxido de calcio. e) Cuando el hidrgeno carbonato de calcio acuoso reacciona con una

disolucin acuosa de hidrxido de sodio se obtiene carbonato de calcio slido y carbonato de sodio, soluble en agua.

2) Indica el nmero de oxidacin de los elementos que componen los compuestos de las reacciones anteriores. 3) A partir de la descomposicin de la piedra caliza (CaCO3)

CaCO3(s) " CaO(s) + CO2(g) Calcula: a) Cuntos gramos de CaCO3 sern necesarios para obtener 1,5 moles de xido de calcio? b) Cuntos litros de dixido de carbono, medidos en CNPT, se desprenden en esta reaccin? 4) Cuntos gramos de Fe se pueden oxidar a xido frrico con un mol de molculas de oxgeno? 5) El amonaco se produce mediante la reaccin entre el hidrgeno molecular y el nitrgeno molecular. Calcular: a) Cuntos moles de molculas de hidrgeno se necesitan para preparar 3 Kg de amonaco? b) Cuntos litros de amonaco se producen por la reaccin completa de 10 litros de nitrgeno en CNPT?

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c) Cuntos litros de hidrgeno (en CNPT) se necesitan para producir 47,6 g de amonaco? 6) Una determinada cantidad de FeCl3 ha sido oxidada completamente y todo el cloro se ha desprendido en forma de Cl2. Este cloro gaseoso se ha empleado para transformar Si en SiCl4. Se han producido 6,36 moles de SiCl4. Cuntos gramos de FeCl3 fueron oxidados?

4 FeCl3 + 3 O2 " 6 Cl2 + 2 Fe2O3

Si + 2 Cl2 " SiCl4 7) Qu volumen de oxgeno en CNPT se necesitar para quemar 1,00 kg de pentano, C5H12(g), que posee un 12% de sustancias que no participan en la combustin?

8) Cuando se coloc una cinta de magnesio de 20,0 g en un vaso de precipitado con una disolucin acuosa de cido clorhdrico, una vigorosa reaccin produjo hidrgeno gaseoso, cloruro de magnesio y suficiente calor para que el vaso se sintiera caliente al tacto. a) Escribe una ecuacin balanceada que represente la reaccin. b) Indica cuntos moles de hidrgeno gaseoso se produjeron c) Calcula cuntos gramos de cido clorhdrico se consumieron durante la

reaccin. d) Calcula los gramos totales de reactivos y los gramos totales de productos.

9) En una de las etapas del proceso industrial de obtencin de titanio puro ocurre la siguiente reaccin: el tetracloruro de titanio lquido se oxida dando dixido de titanio slido y gas cloro. Determine la pureza del tetracloruro de titanio, si al hacer reaccionar 4,0 tn del mismo, en exceso de oxgeno, se obtuvieron 1,4 tn de dixido de titanio. 10) Si en el laboratorio se hace reaccionar una chapa de hierro de 125 g con 2 moles de oxgeno gaseoso se obtiene: a) 179 g de trixido de dihierro b) 209 g de trixido de dihierro c) 89,5 g de trixido de dihierro

Bibliografa Cands, Fernndez y Gordillo, Qumica: Estructura y transformaciones

de la materia, Ed. Estrada Polimodal, 2000. Maiztegui, Boido, Nociones de Fsica y Qumica, Ed. Kapeluz, 2001. Mautino, Qumica IV, Aula Taller, Ed. Stella, 1992. Milone, Qumica IV, General e Inorgnica, Ed. Estrada, 1980. Mautino, Qumica Polimodal, Ed. Stella, 2002. Chandas, Weitz, Qumica, Ed. Kapeluz, 2001. Alimenti, Prat, Conocimientos Bsicos de Qumica, Ediuns, 2009. Timberlake, Timberlake, Qumica, 2da Ed., Ed. Pearson Education, 2008. Whitten, Gailey, Davis, Qumica General, Ed. Omega, 1992 y otros.

cuadernillo nivelacion qca 2010

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